基于响应面法游湖沉积物-水界面溶解性碳交换通量.pdf
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1、基于响应面法游湖沉积物水界面溶解性碳交换通量路平1,张浩然1,任峰1,袁涛2,刘怡君1(1.中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州221116;2.江苏建筑职业技术学院建筑装饰学院,江苏徐州221000)摘要:湿地作为陆地生态系统最重要的碳汇,是减缓全球大气中二氧化碳含量上升和全球气候变暖的重要途径。目前研究多针对于自然湿地中储碳量和碳密度的研究,对于因煤炭开采形成的采煤塌陷湿地碳密度及其变化研究则相对较少。基于对采煤塌陷湿地水体和沉积物中碳含量和影响因子的调查,研究采煤沉陷湿地沉积物水界面不同形态碳交换通量规律,评估沉积物对于上覆水中碳素的源/汇特征,探讨不同环境因子单一及交互作用下沉积物水界
2、面各形态碳的交换通量的变化规律。针对徐州九里湖采煤塌陷湿地沉积物和水体进行研究,分别于2020 年 12 月、2021 年4 月和 2021 年 8 月采集沉积物和上覆水,分析沉积物和水体中碳素的赋存特征以及影响碳素含量的关键因子。通过室内模拟试验,进行沉积物水界面溶解性碳交换通量研究,并探讨主要环境因子对溶解性碳交换通量的影响。最后基于响应面法构建沉积物水界面溶解性碳交换通量回归模型,预测采煤沉陷湿地溶解性碳最小释放条件,估算采煤塌陷湿地溶解性碳释放总量。结果如下:温度升高会导致溶解性碳交换通量增大,而 pH 对其影响较小;在高氧(9.0mg/L)和低氧(3.0mg/L)条件下,溶解性有机碳
3、(DOC)和溶解性无机碳(DIC)交换通量相对较高,在中氧(6.0mg/L)条件下,相对较小。得出在环境因子交互作用下的最优化条件,当温度为5.69、pH 为 7.18、溶解氧 DO 为 6.38mg/L 时,DOC 和 DIC 交换通量区的最小值分别为 2.32、3.54mg/(m2h)。估算出湿地 8 月沉积物 DOC 和 DIC 释放总量最高,分别为 1.75、5.76t;12 月沉积物 DOC 和 DIC 释放总量最低,分别为 0.98、2.01t。结果表明,环境因子对DOC和DIC交换通量均有不同程度影响,温度通过改变吸附能力和生物活性的方式使DOC和 DIC交换通量随温度增加而增大
4、;pH影响着沉积物中碳酸盐的溶解度使得DIC 在碱性环境中增加不明显,但对DOC交换通量影响较小。DOC 和 DIC 释放总量变化规律一致,夏季温度较高,沉积物微生物活性强,促进 DOC 和 DIC 向上覆水中大量释放,冬季温度低,释放作用显著下降。沉积物水界面溶解性碳交换通量只考虑了温度、pH和DO 三个条件,然而影响物质在沉积物水界面的迁移转化还包括沉积物自身特性、生物扰动以及重金属等因素,对于因采煤形成的湿地,沉积物中金属离子对溶解性碳的释放更应引起注意,在后面的研究中可以微生物为切入点,探究沉积物碳“源”与“汇”转换的临界条件。关键词:采煤塌陷湿地;沉积物水界面;交换通量;溶解性碳;响
5、应面法中图分类号:TD88;X143文献标志码:A文章编号:02539993(2023)07290610Dissolved carbon exchange flux at sediment-water interface in coal mine subsidencewetland based on response surface method收稿日期:20230321修回日期:20230424责任编辑:王凡DOI:10.13225/ki.jccs.CN23.0365作者简介:路平(1983),女,内蒙古呼和浩特人,副教授,博士。E-mail:引用格式:路平,张浩然,任峰,等.基于响应面法游
6、湖沉积物水界面溶解性碳交换通量J.煤炭学报,2023,48(7):29062915.LUPing,ZHANGHaoran,RENFeng,etal.Dissolvedcarbonexchangefluxatsediment-waterinterfaceincoalminesubsidencewetlandbasedonresponsesurfacemethodJ.JournalofChinaCoalSociety,2023,48(7):29062915.第48卷第7期煤炭学报Vol.48No.72023年7月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJul.2023LUPing1,ZH
7、ANGHaoran1,RENFeng1,YUANTao2,LIUYijun1(1.School of Environmental Science and Spatial Informatics,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,China;2.School of Architectur-al Decoration,Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology,Xuzhou221000,China)Abstract:Themostimportantthi
8、ngforwetlandsasterrestrialecosystemsiscarbon,whichisanimportantwaytoslowdowntheriseofdihydridecarboncontentintheglobalatmosphereandglobalwarming.Atpresent,moststudiesfocusoncarbonstorageandcarbondensityinnaturalwetlands.However,therearerelativelyfewstudiesoncarbondensityanditschangesincoalminingcoll
9、apsewetlands.Basedontheinvestigationofcarboncontentandinfluencingfactorsinwaterbodiesandsedimentsofcoalminingsubsidencewetlands,thispaperstudiesthecarbonexchangefluxesofdifferentformsatthesediment-waterinterfaceofcoalminingsubsidencewetlands,evaluatesthesource/sinkcharacteristicsofsedimentsforcarbon
10、inoverlyingwater,anddiscussesthechangesoftheexchangefluxesofvariousformsofcarbonatthesediment-waterinterfaceunderthesingleandinteractiveinteractionofdifferentenvironmentalfactors.ThesedimentandoverlyingwaterwerecollectedinDecember2020,April2021andAugust2021,respectively,toanalyzetheoccurrencecharact
11、erist-icsofcarboninthesedimentandwaterandthekeyfactorsaffectingcarboncontentinthecoalminingcollapsewetlandofJiuliLake.Thedissolvedcarbonexchangefluxesatthesediment-waterinterfacewerestudiedthroughlaboratorysimula-tionexperiments,andtheeffectsofmajorenvironmentalfactorsondissolvedcarbonexchangefluxes
12、werediscussed.Fi-nally,aregressionmodelofdissolvedcarbonexchangefluxatthesediment-waterinterfacewasconstructedbasedontheresponsesurfacemethodtopredicttheminimumreleaseconditionsofdissolvedcarbonincoalminingsubsidencewet-landsandestimatethetotalamountofdissolvedcarbonreleaseincoalminingsubsidencewetl
13、ands.Theresultsareasfol-lows:temperatureincreaseleadstotheincreaseofdissolvedcarbonexchangeflux,whilepHhaslittleeffectonit;Theex-changefluxesofdissolvedorganiccarbon(DOC)anddissolvedinorganiccarbon(DIC)wererelativelyhighunderhighoxygen(9.0mg/L)andlowoxygen(3.0mg/L)conditions,andrelativelysmallunderm
14、ediumoxygen(6.0mg/L)condi-tions.Theoptimalconditionsundertheinteractionofenvironmentalfactorsareobtained.Whenthetemperatureis5.69,thepHis7.18,andtheDOis6.38mg/LtheminimumexchangefluxregionofDOCandDICis2.32and3.54mg/(m2h),respectively.ItwasestimatedthatthetotalamountofDOCandDICreleasedinwetlandsedime
15、ntsinAugustwasthehighest,whichwas1.75tand5.76trespectively.ThetotalreleaseofDOCandDICwasthelowestinDecember,whichwere0.98tand2.01t,respectively.Theresultsshowedthattheenvironmentalfactorshaddifferentdegreesofin-fluenceontheexchangefluxesofDOCandDIC,andtheexchangefluxesofDOCandDICincreasedwiththeincr
16、easeoftemperaturebychangingtheadsorptioncapacityandbiologicalactivity.pHaffectsthesolubilityofcarbonateinthesedi-ment,soDICdoesnotincreasesignificantlyinalkalineenvironment,buthaslittleeffectonDOCexchangeflux.Thevari-ationlawoftotalreleaseofDOCandDICisconsistent.Thehightemperatureinsummerandstrongmi
17、crobialactivityinsedimentspromotethereleaseofDOCandDICintheupwardoverlyingwater,whilethelowtemperatureinwintersigni-ficantlyreducesthereleaseeffect.Onlytemperature,pHandDOareconsideredfordissolvedcarbonexchangefluxesatthesediment-waterinterface.However,factorsaffectingthemigrationandtransformationof
18、substancesatthesediment-waterinterfaceincludethecharacteristicsofsedimentsthemselves,bioturbationandheavymetals,etc.Forwetlandsformedbycoalmining,thereleaseofdissolvedcarbonbymetalionsinsedimentsshouldbepaidmoreattention.Inthefollowingresearch,microorganismscanbeusedasthestartingpointtoexplorethecri
19、ticalconditionsfortheconversionofsedimentcarbon“source”and“sink”.Key words:coalminingcollapsewetland;sediment-waterinterface;exchangeflux;dissolvedcarbon;theresponsesur-facemethodology人类活动导致全球气温平均值升高了 1.1,而地球自然环境导致的升温仅为0.10.1,大量使用化石燃料产生的温室气体正在让地球“窒息”,全球气候变暖已经上升到毋庸置疑的程度1。中国作为排碳大国,要实现 2030 年碳达峰、2060 年
20、碳中和目标,在减少 CO2排放的同时,也要增加对 CO2的吸收2-3。湿地面积虽然只有全球陆地面积的 4%6%,但碳储量却占到全球的 30%以上4。然而,人类生产活动和气候变化频繁,全球自然湿地长期性损失量为55%57%5。“采煤塌陷积水区”作为湿地的重要补第7期路平等:基于响应面法游湖沉积物水界面溶解性碳交换通量2907充,能否实现“减排增汇”,对高碳地区碳的控制具有重要意义。沉积物水界面是活性和不完全降解物质生物地球化学循环的重要场所,同时也是地面表层系统不可缺少的环节之一6。沉积物水界面物质交换过程涉及多种理化和生物作用,包括吸附解析、溶解沉淀、氧化还原以及络合解离等7。交换通量的大小除
21、与沉积物自身特性有关外,还与环境因素有关,甚至环境因子在某些条件下可能是主导条件8。一般认为,影响沉积物水界面物质交换通量环境因素有温度9、溶解氧10、pH11以及微生物扰动12作用等。溶解有机碳(DOC)和溶解无机碳(DIC)分别是有机碳库和无机碳库中最活跃的碳组分,其中,DOC 占总有机碳的1%2%13,DIC 占总无机碳的比例更是不到 1%(约为 0.31%)14。虽然 2 者所占比例较低,但其含量和迁移转化对湿地碳的生物化学地球循环有重要影响15。目前沉积物水界面溶解性碳交换通量的研究相对较少,吕昌伟等16通过柱状芯模拟法研究了乌梁素海和岱海 2 个湖泊沉积物水界面 DIC 交换通量,
22、发现乌梁素海沉积物为 DIC 的汇源,岱海沉积物为DIC 的汇;张彬17采用室内模拟法研究了不同条件下三峡库区消落带溶解性有机碳(DOC)交换通量,发现 DOC 交换通量在中性条件下土壤为 DOC 的源,在酸性和碱性条件下土壤为 DOC 的汇;熊莹槐等18对养殖草鱼池塘 DOC 和 DIC 交换通量研究指出,DOC和 DIC 交换通量与溶解氧和 pH 呈负相关,与温度呈正相关;杨平等19采用柱状芯培养法研究河口养虾塘发现,DOC 和 DIC 交换通量与虾生长周期有关,表现为随养殖时间增加而增加;BURT 等20运用一维扩散模型评估了加拿大 Bedford 海湾沉积物 DIC 通量,指出沉积物释
23、放的 DIC 为海底碳的主要来源。MONIKA等21运用原位底栖室计算出 Baltic 海域沉积物水界面DOC 和DIC 交换通量分别为0.17、0.25mmol/(m2d)。ORTEGE 等22运用底栖室测量出西班牙 5 个沿海生态系统 DIC 交换通量介于 0.114.1mmol/(m2d),底栖生物扰动作用对 DIC 交换通量有重要影响。多数研究探讨了温度、pH 和溶解氧等环境因子以及生物活动对沉积物水界面溶解性碳交换通量的影响。部分研究通过不同方法测量计算出沉积物水界面 DOC 和 DIC 交换通量,确定了溶解性碳在不同条件下的汇源,并说明了汇源是可以相互转化的。但目前对于采煤塌陷湿地
24、这类地区的溶解性碳交换通量研究较为匮乏。由此可见,对于沉积物水界面 DOC 和 DIC 交换通量研究多集中于河库、养殖塘以及海洋等地区。缺少研究的采煤塌陷湿地与现有研究的场景皆有所不同。相较于河库、养殖塘及海洋等地区,采煤塌陷湿地水面并非一个整体,且水深浅不一,水质更加复杂,与地下水交换补给更为密切。因此,在采煤塌陷湿地沉积物水界面的溶解性碳交换过程中,温度和溶解氧影响作用会比较显著,pH 影响作用相对较小。因此,笔者针对徐州九里湖采煤塌陷湿地沉积物和水体,基于沉积物和水体中碳素及其他环境参数,通过室内模拟试验,进行沉积物水界面溶解性碳交换通量研究,并探讨主要环境因子对溶解性碳交换通量的影响。
25、最后基于响应面法构建沉积物水界面溶解性碳交换通量回归模型,预测采煤沉陷湿地溶解性碳最小释放条件,估算采煤塌陷湿地溶解性碳释放总量。1试验材料和方法1.1研究区概况研究区为中国东部高潜水位矿区九里采煤塌陷湖,该区域为冲积平原,地势较为平坦,湿地内土壤大部分偏弱碱性,主要由沙姜黑土和潮土组成,透水保湿性较高,适宜植物生长。位于徐州城北九里区的庞庄煤矿于 20 世纪 80 年代开始出现塌陷积水现象23。九里湖片区内总塌陷面积达 41.46km2,包括水域面积 8.37km2,陆地面积 33.09km2。已经沉稳的面积达 25.76km2,尚未沉稳的面积达 15.7km224。九里湖采煤塌陷区内自生植
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